一種基于k均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，該方法首先將供電臂上僅有一輛高鐵運(yùn)行的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分離出，然后利用高鐵的運(yùn)行時(shí)間、電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值作為樣本數(shù)據(jù)歸一化后，進(jìn)行K均值聚類，最終獲取不同車型的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類。本發(fā)明根據(jù)高鐵牽引站電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供了一種簡便快捷的將某供電臂上僅有一輛高鐵運(yùn)行的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分離的方法；利用K均值聚類算法，完成了針對高鐵車型的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分類；不僅為研究某類型高鐵運(yùn)行過程中給電網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題提供了基礎(chǔ)。還可針對各種工況進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類，為進(jìn)一步細(xì)化高鐵負(fù)荷的電能質(zhì)量特性分析提供基礎(chǔ)。
【專利說明】—種基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高鐵的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，提供涉及一種基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高速鐵路以節(jié)能、環(huán)保、高效、安全、舒適、快捷、準(zhǔn)時(shí)等特點(diǎn)在我國迅猛發(fā)展，其正日新月異的改變著人們的出行和生活。然而高速鐵路機(jī)車功率大、行車速度高，給擔(dān)負(fù)其供電任務(wù)的沿線電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來了一定的影響。
[0003]我國高速鐵路采用交-直-交大功率機(jī)車、高速度(最高運(yùn)行速度350km / h以上)、高密度(最小追蹤間隔3min)、大編組(最大16輛編組)的運(yùn)營模式；高速鐵路特別是京滬高速鐵路的運(yùn)輸模式采取高速列車和跨線列車混跑的模式，這決定者高速鐵路牽引負(fù)荷的特殊性和復(fù)雜性。電氣化高速鐵路機(jī)車屬于非線性和沖擊性負(fù)荷，其給電網(wǎng)主要帶來負(fù)序和諧波等電能質(zhì)量影響；同時(shí)不同車型的機(jī)車運(yùn)行時(shí)引起電網(wǎng)的電能質(zhì)量特性不同，特別是諧波特性。這些不僅對電網(wǎng)中其它設(shè)備造成不利影響，而且對自身運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性構(gòu)成威脅。電氣化鐵道的電力機(jī)車為波動性很大的大功率單相整流負(fù)荷，而且由于列車在運(yùn)行過程中的加速、惰行、制動的各種狀態(tài)，以及線路坡度、彎道半徑、氣象條件、司機(jī)操作等因素以及供電臂上列車數(shù)量的變化，牽引負(fù)荷隨機(jī)波動。因此，在進(jìn)行電能計(jì)量的分析時(shí)，必須充分考慮到電力機(jī)車的負(fù)荷特性。采用不同的交-直電力機(jī)車，其產(chǎn)生的諧波含量不同。為了進(jìn)一步研究某車型投運(yùn)后的電能質(zhì)量特性，評估其給電網(wǎng)帶來的影響，本發(fā)明提出了一種針對車型對電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類研究的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提出一種基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，該方法首先將供電臂上僅有一輛高鐵運(yùn)行的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分離出，然后利用高鐵的運(yùn)行時(shí)間、電能質(zhì)量指標(biāo)及其統(tǒng)計(jì)值作為樣本數(shù)據(jù)歸一化后，進(jìn)行K均值聚類，最終獲取不同車型的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類。該發(fā)明為進(jìn)一步研究某車型投運(yùn)后的電能質(zhì)量特性，評估其給電網(wǎng)帶來的影響，進(jìn)而為電網(wǎng)采取積極的應(yīng)對措施提供了基礎(chǔ)。
[0005]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，該方法包括如下步驟:
[0007](I)通過在線的電能質(zhì)量監(jiān)測儀獲取高鐵牽引站的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)；
[0008](2)依據(jù)有車運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)以及高鐵在供電臂的運(yùn)行時(shí)間，篩選出供電臂上僅有一輛車運(yùn)行的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)；
[0009](3)針對供電臂上僅有一輛車運(yùn)行的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出一輛高鐵的運(yùn)行時(shí)間和電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值；
[0010](4)將步驟(3)中的運(yùn)行時(shí)間和電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值作為樣本數(shù)據(jù)，并進(jìn)行歸一化處理；
[0011](5)對進(jìn)行歸一化處理后的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行K均值聚類，以獲取不同車型的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類。
[0012]進(jìn)一步地，步驟(1)中，所述高鐵牽引站的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)包括電壓偏差、電流、負(fù)序電流、頻率偏差、有功功率、無功功率、電量、諧波、間諧波、相角、電壓波動與閃變、三相不平衡度、電壓暫升、電壓暫降和電壓短時(shí)中斷等。
[0013]進(jìn)一步地，步驟(2)中，所述有車運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)包括有功功率、負(fù)序電流和相角等。
[0014]進(jìn)一步地，步驟(2)中，所述篩選出供電臂上僅有一輛車運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)包括下述步驟:
[0015](a)當(dāng)有車運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)同時(shí)大于預(yù)設(shè)閥值時(shí)，則視為供電臂有車的時(shí)刻，將供電臂有車的時(shí)刻由前到后進(jìn)行排序得到有車時(shí)段的時(shí)間序列；
[0016](b)根據(jù)有車時(shí)間序列，計(jì)算出各連續(xù)有車時(shí)段的時(shí)間長度；
[0017](C)判斷各連續(xù)有車時(shí)段的時(shí)間長度與最短通行時(shí)間的大小，對連續(xù)有車時(shí)段進(jìn)行劃分；
[0018](d)判斷各連續(xù)有車時(shí)段的時(shí)間長度與最長通行時(shí)間的大小，將連續(xù)有車時(shí)段劃分為多輛車運(yùn)行的有車時(shí)段和僅有一輛車運(yùn)行的有車時(shí)段，進(jìn)而得出供電臂上僅有一輛車運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。
[0019]進(jìn)一步地,步驟(3)中，所述電能質(zhì)量指標(biāo)包括有功功率、無功功率、電流、負(fù)序電流、以及諧波的含量和次數(shù)等；所述電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值包括電能質(zhì)量指標(biāo)的最大值、最小值、均值和方差等。
[0020]進(jìn)一步地，步驟(3)中，所述一輛高鐵的運(yùn)行時(shí)間根據(jù)所述僅有一輛車運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)所對應(yīng)的起、止時(shí)刻的差值絕對值獲得；
[0021]假設(shè)電能質(zhì)量指標(biāo)P按時(shí)間排列的向量為P，P=[p(l)，p(2),..., p(i),...,P(n)]，其中P(i)和P(n)分別為第i和n個(gè)采樣時(shí)刻的電能質(zhì)量指標(biāo)，則所述電能質(zhì)量指
標(biāo)指標(biāo)P的最大值為Pmax=Hiax(P)、最小值為Pmin=Hiin(?)、平均值為
【權(quán)利要求】
1.一種基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: (1)通過在線的電能質(zhì)量監(jiān)測儀獲取高鐵牽引站的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)； (2)依據(jù)有車運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)以及高鐵在供電臂的運(yùn)行時(shí)間，篩選出供電臂上僅有一輛車運(yùn)行的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)； (3)針對供電臂上僅有一輛車運(yùn)行的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出一輛高鐵的運(yùn)行時(shí)間和電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值； (4)將步驟(3)中的運(yùn)行時(shí)間和電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值作為樣本數(shù)據(jù)，并進(jìn)行歸一化處理； (5)對進(jìn)行歸一化處理后的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行K均值聚類，以獲取不同車型的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(1)中，所述高鐵牽引站的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)包括電壓偏差、電流、負(fù)序電流、頻率偏差、有功功率、無功功率、電量、諧波、間諧波、相角、電壓波動與閃變、三相不平衡度、電壓暫升、電壓暫降和電壓短時(shí)中斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(2)中，所述有車運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)包括有功功率、負(fù)序電流和相角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(2)中，所述篩選出供電臂上僅有一輛車運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)包括下述步驟: (a)當(dāng)有車運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)`據(jù)同時(shí)大于預(yù)設(shè)閥值時(shí)，則視為供電臂有車的時(shí)亥IJ，將供電臂有車的時(shí)刻由前到后進(jìn)行排序得到有車時(shí)段的時(shí)間序列； (b)根據(jù)有車時(shí)間序列，計(jì)算出各連續(xù)有車時(shí)段的時(shí)間長度； (c)判斷各連續(xù)有車時(shí)段的時(shí)間長度與最短通行時(shí)間的大小，對連續(xù)有車時(shí)段進(jìn)行劃分； (d)判斷各連續(xù)有車時(shí)段的時(shí)間長度與最長通行時(shí)間的大小，將連續(xù)有車時(shí)段劃分為多輛車運(yùn)行的有車時(shí)段和僅有一輛車運(yùn)行的有車時(shí)段，進(jìn)而得出供電臂上僅有一輛車運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(b)中，計(jì)算出各連續(xù)有車時(shí)段的時(shí)間長度包括如下步驟: 判斷有車時(shí)間序列中相鄰兩時(shí)刻中后一時(shí)刻與前一時(shí)刻的時(shí)間差是否大于IOs ； 如<10s，則進(jìn)入與后一時(shí)刻的下一時(shí)刻進(jìn)行判斷； 如> 10s，則將前一時(shí)刻視為該連續(xù)有車時(shí)段的終止時(shí)刻，將后一時(shí)刻視為下一連續(xù)有車時(shí)段的起始時(shí)刻，以此確定出各連續(xù)有車時(shí)段的時(shí)間長度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(C)中，對連續(xù)有車時(shí)段進(jìn)行劃分包括如下步驟: 判斷各連續(xù)有車時(shí)段的時(shí)間長度與最短通行時(shí)間的大?。? 如>最短通行時(shí)間，表示該連續(xù)有車時(shí)段是完整的； 如< 最短通行時(shí)間，則將該連續(xù)有車時(shí)段與后一連續(xù)有車時(shí)段形成新的連續(xù)有車時(shí)段，直至該新的連續(xù)有車時(shí)段的時(shí)間長度大于或等于最短通行時(shí)間為止。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(d)中，將所述連續(xù)有車時(shí)段劃分為多輛車運(yùn)行的有車時(shí)段和僅有一輛車運(yùn)行的有車時(shí)段包括如下步驟: 判斷各連續(xù)有車時(shí)段的時(shí)間長度與最長通行時(shí)間的大小； 如>最長通行時(shí)間，則認(rèn)為是多輛車運(yùn)行的有車時(shí)段； 如<最長通行時(shí)間，則認(rèn)為是僅有一輛車運(yùn)行的有車時(shí)段，該時(shí)段對應(yīng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)即為僅有一輛車運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(3)中，所述電能質(zhì)量指標(biāo)包括有功功率、無功功率、電流、負(fù)序電流、以及諧波的含量和次數(shù)；所述電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值包括電能質(zhì)量指標(biāo)的最大值、最小值、均值和方差。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(3)中，所述一輛高鐵的運(yùn)行時(shí)間根據(jù)所述僅有一輛車運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)所對應(yīng)的起、止時(shí)刻的差值絕對值獲得； 假設(shè)電能質(zhì)量指標(biāo)P按時(shí)間排列的向量為P，P= [p (I), P (2),...，p(i)，...，p(n)]，其中P(i)和P(n)分別為第i和η個(gè)采樣時(shí)刻的電能質(zhì)量指標(biāo)，則所述電能質(zhì)量指標(biāo)指標(biāo)P的最大值為Pmax=Hiax (P)、最小值為Pmin=Hiin(P)、平均值為
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(4)中，將一輛高鐵的運(yùn)行時(shí)間和電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值映射到[0，+1]區(qū)間，設(shè)定V產(chǎn)(X' i,lX'i,M)是第i個(gè)樣本數(shù)據(jù)，具共M個(gè)特征值，通過下式對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化計(jì)算:

11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(5)中，對進(jìn)行歸一化處理后的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行K均值聚類的方法包括如下步驟: (a)依據(jù)車型將僅有一輛車運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分為四類，所述車型包括高速列車8編組、高速列車16編組、中速列車8編組和中速列車16編組； (b)隨機(jī)選取初始化聚類中心Vi(I)； 其中，?=1,2, *..,4, i表示類的序號；1表示初始迭代運(yùn)算次數(shù)； (c)逐個(gè)將待聚類的樣本數(shù)據(jù)(X1,X2,..., Xj,..., Xn)按照下述最小距離規(guī)則分配給4個(gè)聚類中心中的某一個(gè)Vi (t)，所述最小距離規(guī)則為: 計(jì)算第j個(gè)樣本數(shù)據(jù)Xj與4個(gè)聚類中心Vi (t)，i=l，2，…，4的距離cKX^Via))，i=l,2，3，4，若(!(XjiVi (t))最小，則Xj為第i類，記為X' j ； 其中，和Xn表示第j和N個(gè)樣本數(shù)據(jù)；t表示迭代運(yùn)算次數(shù)，初始為I ;i表示類的序號，i=l, 2,…,4 ；(d)通過下式計(jì)算4個(gè)新的聚類中心:
【文檔編號】G01R31/00GK103777091SQ201310676852
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】楊岑玉, 王同勛, 周勝軍, 談萌, 楊柳 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院